關(guān)于運(yùn)算放大器軌到軌輸出的問(wèn)題

昨天群友在群里問(wèn)了一個(gè)關(guān)于運(yùn)算放大器軌到軌輸出的問(wèn)題，對(duì)此我寫(xiě)一下我對(duì)此的理解，以及結(jié)合仿真，梳理給各位同好。

理論

問(wèn)題的起因是楊建國(guó)老師的新概念模擬電路里的一個(gè)關(guān)于小信號(hào)放大的案例，大概就是輸出的電壓和預(yù)想偏差了很多，大家可以先看一下下面的節(jié)選。

群友的疑問(wèn)：為什么運(yùn)放的V-由GND(0V)改為-0.5V就輸出正常了?

回答：這個(gè)和運(yùn)算放大器的軌到軌輸出有關(guān)系(比如0 ~ 5V供電，那么輸出幾乎等于0~5V范圍就算是軌到軌)，雖然有的運(yùn)算放大器說(shuō)是軌到軌輸出，但是實(shí)際上，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，并不能完全軌到軌;就像楊老師舉的例子一樣，這個(gè)實(shí)際上第一級(jí)的運(yùn)放是沒(méi)有輸出到0V的(如果暫且不考慮失調(diào)電壓電流等參數(shù)是要輸出0V)。就如手冊(cè)里寫(xiě)的，

在Rl = 10KΩ to
Vcm的時(shí)候，0-5V供電的這個(gè)運(yùn)放的輸出最小電壓為5mV(典型值)。這個(gè)不能完全軌到軌輸出也就導(dǎo)致了第二級(jí)運(yùn)算放大器放大了這個(gè)最小輸出電壓，從而導(dǎo)致了偏差。

群友問(wèn)：如果仍然是0V-5V供電，如果在同相輸入端或者反相輸入端疊加一個(gè)人為的偏置，能否抵消掉這個(gè)?能不能輸出到0V?

回答：不能，因?yàn)檫@個(gè)軌到軌輸出的最小或最大電壓是由運(yùn)算放大器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，以及運(yùn)算放大器的負(fù)載電流，并且和供電電壓直接相關(guān)的。無(wú)論在同相輸入端或者反相輸入端增加人為的偏置補(bǔ)償均不能抵消掉。就像楊老師書(shū)里寫(xiě)的例子一樣，如果想要讓他輸出0V(不考慮失調(diào)電壓等參數(shù))，那么只能加負(fù)壓才能讓他輸出0V。

這一點(diǎn)可以理解為類(lèi)似PMOS和NMOS的DS之間總會(huì)因?yàn)镽dson的存在而有一些壓降一樣，而且這個(gè)壓降會(huì)隨著流過(guò)DS的電流的增加而增加(I*Rdson)。

對(duì)此在ADI的設(shè)計(jì)文檔里也找到了對(duì)軌到軌輸出的相關(guān)描述，大家可以參照閱讀一下：

仿真驗(yàn)證

那么我們就也仿真一下，去深入理解一下這個(gè)楊老師書(shū)里的問(wèn)題吧。

首先，我們?cè)诜抡胬餃y(cè)試一下ADA4528的輸入失調(diào)電壓Vos，就按照上圖文檔，我們使用雙電源供電。測(cè)試出來(lái)的Vos大致為465nV，在手冊(cè)寫(xiě)的0.3~2.5uV范圍內(nèi)。

然后我們搭出來(lái)?xiàng)罾蠋煹臅?shū)里的電路，首先用0V-5V供電，第一級(jí)輸出電壓為532uV(與200Vos偏差很遠(yuǎn))，第二級(jí)再放大后(放大倍數(shù)約為200)的電壓為107mV左右(200532uV)

然后我們把0V改為-0.5V，神奇的事情發(fā)生了，真如書(shū)里所說(shuō)一樣，發(fā)生了變化。第一級(jí)輸出電壓變?yōu)榱?3uV左右，第二級(jí)輸出電壓為19mV左右。這第一級(jí)的輸出基本就符合200*Vos了：

200*0.465(Vos)=93uV

最后說(shuō)兩句

在工程應(yīng)用的時(shí)候，一定要注意這個(gè)軌到軌輸出的問(wèn)題，尤其是小信號(hào)放大，必要時(shí)加負(fù)壓，仔細(xì)看規(guī)格書(shū)，特別是應(yīng)用一些非軌到軌的運(yùn)放(例如LM358之類(lèi)的)，更要小心小心再小心。